RU2035522C1

RU2035522C1 - Method for production of composite material with metal die

Info

Publication number: RU2035522C1
Authority: RU
Inventors: А.И. Литвинцев; В.С. Романова; А.В. Безруков; В.А. Кардополов
Original assignee: Малое научно-производственное предприятие "Алюминиевые спеченные порошковые сплавы "АЛСПОРС"
Priority date: 1992-10-07
Filing date: 1992-10-07
Publication date: 1995-05-20

Abstract

FIELD: composite materials. SUBSTANCE: method involves preparation of die melt, mainly of aluminium alloy, mixing it with solid particles of reinforcing material introduced into the mass of molten die melt, then spraying the resulting mixture by ejection at a melt temperature 40-150 C higher than the liquidus temperature of the die melt and a gas temperature of 0.9 - 1.2 the liquidus temperature of the die melt at a pressure of 2-5 MPa. The resulting mixture in the form of a die with particles of reinforcing material dispersed therein is precipitated by spraying on a backing, producing a composite material with a high-quality precipitate weighing 100 kg and heavier with the yield of quality product reaching 96%. EFFECT: higher efficiency. 3 cl, 2 tbl

Description

Изобретение относится к металлургии, а именно, к способу получения композиционного материала с металлической матрицей, и может быть использовано для производства заготовок из композиционных материалов на основе металлических сплавов, армированных дисперсными керамическими частицами упрочняющего компонента. The invention relates to metallurgy, and in particular, to a method for producing a composite material with a metal matrix, and can be used to produce blanks from composite materials based on metal alloys reinforced with dispersed ceramic particles of a reinforcing component.

Известен способ получения алюминиевых композиционных материалов, армированных керамическими частицами, методом порошковой металлургии, включающий смешивание предварительно изготовленного порошка из алюминиевого сплава (матрица) с керамическими частицами (упрочнитель), холодное компактирование полученной смеси с последующим горячим прессованием в вакууме. (Изготовление высококачественных порошковых композиционных материалов с алюминиевой матрицей Mater. and Manuf Process, 1988, 3, N 3, р. 327-358). A known method of producing aluminum composite materials reinforced with ceramic particles by powder metallurgy, including mixing a pre-made powder of aluminum alloy (matrix) with ceramic particles (hardener), cold compaction of the resulting mixture, followed by hot pressing in vacuum. (Production of high-quality powder composite materials with an aluminum matrix Mater. And Manuf Process, 1988, 3, N 3, p. 327-358).

Недостатками данного способа является низкая производительность, высокая стоимость, а также потенциальная взрывоопасность процесса на выполняемых операциях засыпки, смешения и пересыпки смесей в технологические капсулы или емкости. The disadvantages of this method are low productivity, high cost, as well as the potential explosiveness of the process in the operations of filling, mixing and pouring mixtures into technological capsules or containers.

Наиболее близким к предлагаемому является способ получения композиционного материала, включающий приготовление матричного алюминиевого расплава с последующим распылением потока расплавленного сплава до частиц горячего металла с помощью струи сравнительно холодного газа, направленного на поток расплава, смешивание распыляемого потока с мелкими твердыми частицами упрочнителя, например карбида кремния, и осаждение металла с диспергированными частицами, соединенными в единое целое в виде композиционного материала на подложку (экран), (Евр. пат. N 0295008, С 22 С 1/10, С 22 С 32/00, В 22 23/00, С 23 С 4/18). Closest to the proposed is a method for producing a composite material, comprising preparing a matrix aluminum melt with subsequent spraying of the molten alloy stream to hot metal particles using a relatively cold gas jet directed to the melt stream, mixing the sprayed stream with small solid particles of hardener, for example silicon carbide, and the deposition of metal with dispersed particles, combined into a single unit in the form of a composite material on a substrate (screen), (Heb. Pat. N 0295008, C 22 C 1/10, C 22 C 32/00, B 22 23/00, C 23 C 4/18).

В результате использования данного способа получается композиционный материал со следующими свойствами в экструдированном состоянии:
σ_0,2 не менее 400 МПа;
σ_в ≥ 440 МПа;
δ ≥ 2,0%
Е≥ 85 ГПа
ρ2,75 /см³
Указанный способ характеризуется отсутствием дорогостоящих, длительных и потенциально опасных операций, присущих для способа, описанного выше. Заготовку из композиционного материала получают прямо из расплава с такой же производительностью, как при литье в кристаллизатор скольжения. Относительно высокая скорость охлаждения матричного сплава при осаждении капель на подложку (экран) предопределяет образование мелкозернистой структуры, что обеспечивает формирование заготовки композиционного материала, не уступающей по механическим свойствам заготовкам, полученным по порошковой технологии.As a result of using this method, a composite material with the following properties in the extruded state is obtained:
σ _0.2 not less than 400 MPa;
σ _in ≥ 440 MPa;
δ ≥ 2.0%
E≥ 85 GPa
ρ2.75 / cm ³
The specified method is characterized by the absence of costly, lengthy and potentially dangerous operations inherent in the method described above. A blank of composite material is obtained directly from the melt with the same productivity as when casting in a slip mold. The relatively high cooling rate of the matrix alloy during the deposition of droplets on a substrate (screen) determines the formation of a fine-grained structure, which ensures the formation of a composite material blank that is not inferior in mechanical properties to the blanks obtained by powder technology.

Однако этот способ имеет свои недостатки:
низкий выход годного (15-50%) за счет выноса твердых частиц матричного сплава и армирующего компонента с потоком газа из зоны осаждения;
технические сложности обеспечения однородности смешивания компонентов композиционного материала при взаимодействии двух движущихся потоков: капель матричного сплава, размер и агрегатное состояние которых в объеме потока могут существенно отличаться, и твердых частиц армирующего компонента. Для достижения относительно равномерного распределения частиц упрочнителя в заготовке из композиционного материала необходим тщательный контроль процессов распыления металлического расплава и дозирования частиц материала упрочнителя;
недостаточно прочная связь на границе раздела матрица-упрочнитель из-за малого (доли секунды) времени контакта распыленной капли металла и частицы упрочнителя (Materials and Desigh, v. 10, N 3, 1989, рр. 121-127).However, this method has its drawbacks:
low yield (15-50%) due to the removal of solid particles of the matrix alloy and the reinforcing component with a gas stream from the deposition zone;
technical difficulties in ensuring uniform mixing of the components of the composite material during the interaction of two moving flows: matrix alloy droplets, the size and state of aggregation of which in the flow volume can differ significantly, and solid particles of the reinforcing component. To achieve a relatively uniform distribution of hardener particles in the composite material blank, careful monitoring of the processes of spraying the metal melt and dosing of the hardener material particles is necessary;
insufficiently strong bond at the matrix-hardener interface due to the small (fraction of a second) contact time of the atomized metal droplet and the hardener particle (Materials and Desigh, v. 10, N 3, 1989, pp. 121-127).

Целью изобретения является повышение механических свойств заготовок из композиционного материала с дискретным упрочнителем и повышение выхода годного. The aim of the invention is to increase the mechanical properties of blanks of composite material with a discrete hardener and increase yield.

Эта цель достигается тем, что в способе получения композиционного материала с металлической матрицей, включающем приготовление матричного расплава, преимущественно алюминиевого сплава, смешивание его с твердыми частицами армирующего материала и осаждение распыленной смеси в виде капель матрицы с диспергированными в ней частицами армирующего материала на подложку (экран), частицы армирующего материала вводят непосредственно в массу расплавленного матричного расплава, а перемешивание расплава и твердых частиц производят перед распылением, после чего полученную смесь распыляют путем эжекции при температуре расплава на 40-150^оС выше температуры ликвидус матричного расплава и при температуре газа, нагретого до температуры 0,9-1,2 температуры ликвидус матричного сплава при давлении 2-5 МПа.This goal is achieved in that in a method for producing a composite material with a metal matrix, which includes preparing a matrix melt, mainly an aluminum alloy, mixing it with solid particles of a reinforcing material and depositing a sprayed mixture in the form of droplets of a matrix with particles of reinforcing material dispersed in it on a substrate (screen ), the particles of the reinforcing material are injected directly into the mass of the molten matrix melt, and the melt and solid particles are mixed before spraying HAND, and then the resulting mixture is sprayed by ejecting at a melt temperature of 40-150 ° C above ^the liquidus temperature of the matrix and the melt temperature of gas heated to a temperature of 0.9-1.2 liquidus temperature of the alloy matrix at a pressure of 2-5 MPa.

Введение и перемешивание в массе матричного расплава твердых частиц армирующего материала перед распылением и повышение температуры смеси на 40-150^оС выше ликвидус матричного сплава и газа до температуры 0,9-1,2 температуры ликвидус матричного сплава при эжекции полученной смеси позволяет исключить использование газового потока твердых частиц армирующего материала и создать необходимые условия для формирования однородного распределения твердых частиц упрочнителя в летящих жидких и полужидких каплях композиционного материала с металлической матрицей.Introduction and mixing into the mass of molten matrix particulate reinforcing material before spraying the mixture and raising the temperature to 40-150 ° C above ^the liquidus of the matrix alloy and the gas to a temperature of 0.9-1.2 liquidus temperature of the matrix alloy during the ejection mixture obtained eliminates the use of gas the flow of solid particles of reinforcing material and create the necessary conditions for the formation of a uniform distribution of solid particles of the hardener in flying liquid and semi-liquid drops of a composite material with metal matrix.

Более высокая температура газа позволяет предотвратить преждевременное затвердевание жидких капель смеси и уменьшить унос их из зоны осаждения, повышая тем самым массу осадка композиционного материала на подложке и увеличение выхода годного. A higher gas temperature prevents premature solidification of liquid droplets of the mixture and reduces their entrainment from the deposition zone, thereby increasing the mass of the composite deposit on the substrate and increasing the yield.

Повышение физических свойств композиционного материала, получаемого путем последовательного осаждения капель распыленной смеси на подложке, достигается за счет однородного распределения частиц в объеме матрицы и улучшения связи на границе раздела матрица-упрочнитель при замешивании частиц армирующего компонента в массе матричного расплава перед распылением, что приводит в свою очередь к повышению механических свойств полуфабрикатов из композиционного материала, полученных при горячем вакуумном прессовании. An increase in the physical properties of the composite material obtained by sequentially precipitating droplets of a sprayed mixture on a substrate is achieved by uniform distribution of particles in the matrix volume and improving the bond at the matrix-hardener interface by mixing particles of the reinforcing component in the mass of the matrix melt before spraying, which leads to it is a turn to increase the mechanical properties of semi-finished products from composite material obtained by hot vacuum pressing.

Подача смеси в эжекционную форсунку при температуре ниже 40^оС над температурой ликвидус матричного сплава или давлении, менее 2,0 МПа не позволяет реализовать процесс распыления смеси из-за недостаточной текучести гетерогенной смеси. Перегрев смеси до температур, превышающих 150^оС над температурой ликвидус матричного сплава, также приводит к ухудшению литейных характеристик (снижению текучести) смеси из-за активного взаимодействия матричного сплава с кислородом и армирующим компонентом, что в свою очередь исключает возможность распыления смеси.Feed mixture in an ejection nozzle at a temperature below 40 ^{° C} above the liquidus temperature of the matrix alloy or a pressure less than 2.0 MPa, the process does not allow to realize the spray mixture because of insufficient yield a heterogeneous mixture. Overheating of the mixture to a temperature exceeding 150 ° ^C above the liquidus temperature of the alloy matrix, also lead to a deterioration of the casting properties (reduction of yield) of the mixture due to interaction of the active matrix alloy with oxygen and the reinforcing component, which in turn eliminates the possibility of the spraying mixture.

При давлении газа больше 5 МПа снижается выход годного из-за чрезмерно широкого факела распыленного потока смеси и, как следствие, дополнительного выноса частиц смеси из зоны осаждения. At a gas pressure of more than 5 MPa, the yield is reduced due to an excessively wide plume of the atomized mixture stream and, as a result, additional removal of the mixture particles from the deposition zone.

Интервал температуры распыляющего газа определен из условий формирования качественной заготовки при осаждении смеси композиционного материала. При температуре газа ниже 0,9 Т_ликв. невозможно формирование относительно плотного осадка (95-98)% а при температуре газа выше 1,2 Т_ликв. происходит чрезмерный перегрев осаждаемых слоев материала, ухудшающих условия кристаллизации расплава и, следовательно, свойства материала.The temperature range of the spray gas is determined from the conditions for the formation of a high-quality workpiece during deposition of a mixture of composite material. At a gas temperature below 0.9 T _liquor. it is impossible to form a relatively dense precipitate (95-98)% and at a gas temperature above 1.2 T _liquids. excessive overheating of the deposited layers of material occurs, worsening the conditions of crystallization of the melt and, therefore, the properties of the material.

Предлагаемый способ практически может быть использован для любых композиций металл-дискретный упрочнитель, в которых не происходит активного взаимодействия на границе раздела при температурах на 40-150^оС выше температуры ликвидус матричного сплава. Наиболее предпочтительны системы на основе промышленных алюминиевых, а также алюминий-литиевых и магниевых сплавов. В качестве армирующего компонента могут быть использованы карбиды кремния, корунда, карбида бора и др. дисперсностью от 1 до 100 мкм, предпочтительно от 5 до 20 мкм.The proposed method can be used practically for any discrete metal compositions hardener, in which there is no active interaction at the interface at temperatures of 40-150 ° C above ^the liquidus temperature of the matrix alloy. Most preferred are systems based on industrial aluminum as well as aluminum-lithium and magnesium alloys. As the reinforcing component can be used silicon carbides, corundum, boron carbide and other dispersion from 1 to 100 microns, preferably from 5 to 20 microns.

Способ был осуществлен в тигельной печи, в которой был приготовлен известным способом расплав алюминиевого сплава Д16 и замешано 17% карбида кремния с дисперсностью 14 мкм. Карбид кремния нагревали в отдельной печи и подавали в расплав, тщательно перемешивая в нем, повышая температуру расплава до 700-710^оС (при непрерывном перемешивании, что обеспечило превышение температуры ликвидус матричного сплава на 60^оС. Далее с помощью эжекционной форсунки при давлении 2,8 МПа и температуре газа 640^оС (1,0 Т_ликв.) начали распыление гетерогенной смеси с осаждением на подложку. По результатам взвешивания образовался осадок композиционного материала весом 141,3 кг. При этом порошковый унос составил всего 4% (выход годного 96%), а плотность осадка составила 98% Твердость по Бринелю 115 кг/мм².The method was carried out in a crucible furnace in which a melt of aluminum alloy D16 was prepared in a known manner and 17% silicon carbide with a dispersion of 14 μm was mixed. Silicon carbide is heated in a separate furnace and fed into the melt and mixed thoroughly therein, increasing melt temperature to 700-710 ^{° C} (with continuous stirring, ensuring excess of the liquidus temperature of the alloy matrix at 60 ^C. Next, using an ejection nozzle at a pressure of 2 8 MPa and the gas temperature 640 ^{° C} (1.0 T _Licv.) spraying heterogeneous mixture began to precipitate on a substrate. As a result of weighing of the precipitate formed composite material weighing 141.3 kg. this powder entrainment was only 4% (yield of 96%), and the density of the precipitate was 98% Brinell hardness 115 kg / mm ² .

Для выбора оптимальных параметров распыления гетерогенной смеси с осаждением на подложку (экран) был проведен ряд опытов, которые позволили установить интервалы температур металла, а также температур и давления распыляющего газа. В табл. 1 приведены результаты четырех исследований, 2-ой и 3-ий из которых позволяют определить оптимальные технологические параметры, обеспечивающие наилучшие свойства осадков композиционных материалов. To select the optimal parameters for spraying a heterogeneous mixture with deposition on a substrate (screen), a series of experiments were carried out that made it possible to establish the temperature ranges of the metal, as well as the temperature and pressure of the spraying gas. In the table. 1 shows the results of four studies, the 2nd and 3rd of which allow us to determine the optimal technological parameters that provide the best properties of precipitation of composite materials.

В табл. 2 приведены сравнительные механические свойства прессованных полуфабрикатов (прутки ⌀ 20 мм) после термообработки по режиму Т6 из полученных заготовок композиционного материала по предлагаемому методу распыления с осаждением в сравнении с подобными прессованными полуфабрикатами, полученными по известному методу (прототипу). Дисперсность карбида кремния 14 мкм. In the table. 2 shows the comparative mechanical properties of pressed semi-finished products (rods ⌀ 20 mm) after heat treatment according to T6 mode from the obtained composite material blanks according to the proposed spraying method with deposition in comparison with similar pressed semi-finished products obtained by the known method (prototype). The dispersion of silicon carbide is 14 microns.

Из результатов исследования, приведенных в табл. 1 и 2, следует, что процесс совместного осаждения гетерогенной смеси Д16+SiC на подложку при использовании предложенного способа по сравнению с существующими обладает следующими преимуществами: улучшенное качество осадка вследствие повышения относительной плотности осадка; повышенный выход годного по исходным компонентам в 5-7 раз (93-96)% улучшенные условия управляемости процессом осаждения равномерно распределенного упрочнителя в металлической матрице. From the results of the study, are given in table. 1 and 2, it follows that the process of co-deposition of a heterogeneous mixture of D16 + SiC on a substrate using the proposed method compared with existing has the following advantages: improved quality of the precipitate due to an increase in the relative density of the precipitate; 5–7-fold (93-96)% higher yield for initial components; improved conditions for controllability of the deposition of a uniformly distributed hardener in a metal matrix.

Использование изобретения позволит обеспечить получение нового класса эффективных композиционных материалов и организовать производство и изготовление высококачественных и износостойких изделий. Using the invention will allow to obtain a new class of effective composite materials and organize the production and manufacture of high-quality and wear-resistant products.

Claims

1. METHOD FOR PRODUCING A COMPOSITE MATERIAL WITH A METAL MATRIX, including the preparation of a matrix alloy melt, subsequent spraying of the melt and solid particles of the reinforcing component, and their joint deposition on the substrate, characterized in that the particles of the reinforcing component are introduced into the melt and mixed with the melt, and subsequent spraying of the matrix melt and the solid particles of the reinforcing component is carried out together at a melt temperature of 40 150 ^o With above the liquidus temperature of the matrix with melt.

2. The method according to claim 1, characterized in that the spraying of the mixture of the melt and the particles of the reinforcing component is carried out by ejection at a pressure of 2 5 MPa and by heating the gas to a temperature of 0.9 to 1.2 from the liquidus temperature of the matrix alloy.

3. The method according to p. 1, characterized in that an aluminum-based alloy is used as a matrix alloy, and silicon carbide particles are used as solid particles of the reinforcing component.